基于FMECA與模糊FTA的余熱鍋爐安全分析
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張宇棟，卿 黎，蒲 偉，張勝躍，牛 犇
（1.昆明理工大學(xué)國(guó)土資源工程學(xué)院
2．昆明鍋爐有限責(zé)任公司）
摘要：為了保證余熱鍋爐安全運(yùn)行，預(yù)防爆炸事故發(fā)生，利用FMECA方法和模糊FTA方法，研究 ．余熱鍋爐事故致因。通過對(duì)余熱鍋爐潛在危險(xiǎn)因素的分析辨別，探討設(shè)備故障類型、原因及相應(yīng)處理方法，引入模糊FIlA對(duì)余熱鍋爐爆炸事故定性和定量分析，進(jìn)而構(gòu)建了基于FMECA與模糊F'TA的余熱鍋爐安全分析框架，并計(jì)算得出事故發(fā)生的模糊概率以及對(duì)基本事件的敏感性分析。
研究表明，余熱鍋爐系統(tǒng)的可靠度大約為96. 92%，未按規(guī)定排污，報(bào)警器失靈，安全閥壓力連接管堵塞及除氧器不合格事件對(duì)頂事件發(fā)生概率的影響最大，從而為該系統(tǒng)的安全決策提供支持。
關(guān)鍵詞：余熱鍋爐；FMECA；模糊FTA；爆炸事故；敏感性分析
0 引言
我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，不斷提高對(duì)能源的需求和對(duì)環(huán)保的要求，當(dāng)前能源與環(huán)保形勢(shì)十分嚴(yán)峻，能源利用率低和經(jīng)濟(jì)效益差是目前所面臨的最大問題在此背景下，余熱鍋爐越來越多的被企業(yè)所使用。以提高能源利用率利用率。其通過工業(yè)生產(chǎn)過程中的廢氣、廢料及廢液中的熱量將水加熱產(chǎn)生蒸汽或熱水提供給其他工藝過程，在電力、冶金、石油、化工等多領(lǐng)域，余熱鍋爐作為通用的能源設(shè)備具有重要地位。
余熱鍋爐本身作為一個(gè)較復(fù)雜的系統(tǒng)，屬于一種事故率高、事故后果嚴(yán)重的特殊設(shè)備。尤其涉及爆炸事故，其內(nèi)部存在的巨大能量將對(duì)周圍的人設(shè)備造成巨大的傷害。余熱鍋爐的熱源來自運(yùn)行過程中所產(chǎn)生的廢熱，無專門燃燒器，其內(nèi)部相當(dāng)于高溫、高壓氣液共存的運(yùn)行狀態(tài)。這就決定了其必然作為一些大型復(fù)雜系統(tǒng)中一個(gè)重要支系統(tǒng)存 ，由于設(shè)備系統(tǒng)本身的復(fù)雜性以及其常處于高溫、高壓或腐蝕等不斷變化的嚴(yán)工況環(huán)境，加之存在一主觀因素（如人為失誤、相關(guān)失效、共因失效等）影響，致使引起設(shè)備系統(tǒng)失效和發(fā)生安全故障的致非常復(fù)雜且具有模糊性、隨機(jī)性。因此，對(duì)余熱鍋爐爆炸事故進(jìn)行系統(tǒng)的風(fēng)險(xiǎn)分析，確保相關(guān)人身和設(shè)備的安全具有重大的意義。
隨著余熱鍋爐使用量的快速增長(zhǎng)，逐漸暴露出目前存在的安全技術(shù)研究滯后、裝檢及管理制度不善的問題，特別是針對(duì)余熱鍋爐的安全性分析，尚系統(tǒng)性的專門研究。故此，在綜合考慮實(shí)際工程景的基礎(chǔ)上，對(duì)余熱鍋爐的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)進(jìn)行分析，運(yùn)FMECA方法對(duì)影響余熱鍋爐爆炸的危險(xiǎn)因素進(jìn)分析辨識(shí)。同時(shí)，考慮到承壓類特種設(shè)備屬于高靠性系統(tǒng)，其故障發(fā)生概率往往很低，無法獲取大的數(shù)據(jù)，這類較復(fù)雜系統(tǒng)的破壞性試驗(yàn)成本高昂，取大量直觀檢驗(yàn)數(shù)據(jù)也不具有經(jīng)濟(jì)可行性。此建立FTA方法與三角模糊理論耦合的安全事分析模型，以此對(duì)余熱鍋爐安全性進(jìn)行定性和定的分析。
}余熱鍋爐運(yùn)行原理及FMEA研究
1 余熱鍋爐運(yùn)行原理
以昆明鍋爐有限責(zé)任公司的對(duì)流管式余熱鍋爐Q30/900 - 20 -2.5/450)為例，其運(yùn)行原理為利用E熱獲取熱源，通過傳熱過程將鍋爐內(nèi)部的水和蒸汽加熱汽化。鍋爐運(yùn)行時(shí)，使水及汽水混合物在閉合回路中持續(xù)規(guī)律地流動(dòng)，受熱面吸收的熱量不斷被水及汽水混合物帶走，將受熱面金屬冷卻，進(jìn)而保持鍋爐安全正常工作。此類余熱鍋爐中水被加熱汽化的過程是水、汽在定壓條件下的循環(huán)過程[2，對(duì)流管式余熱鍋爐汽水工作流程簡(jiǎn)圖如圖1所示。
給水箱中的水經(jīng)鍋爐給水泵送人省煤器，吸收煙氣熱量提高水溫進(jìn)入上鍋筒，鍋筒內(nèi)的水在蒸發(fā)受熱面內(nèi)吸收熱量汽化而形成汽水混合物，以自然循環(huán)的方式通過水冷壁上升進(jìn)入上鍋筒進(jìn)行汽水分離，水由對(duì)流管束流向集箱，不斷補(bǔ)充上升管中的水量，分離出來的蒸汽由上鍋筒進(jìn)入過熱受熱面進(jìn)一步加熱，形成過熱蒸汽供其他工藝工程使用。
1.2余熱鍋爐FMEA危險(xiǎn)因素識(shí)別
通過對(duì)余熱鍋爐運(yùn)行原理及子系統(tǒng)之間關(guān)系的分析，運(yùn)用FMEA對(duì)各系統(tǒng)進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別，如表1所示。
2 余熱鍋爐模糊FTA分析
2.1FTA建立與分析
余熱鍋爐長(zhǎng)期處于高溫、高壓的運(yùn)行環(huán)境，由于操作管理不當(dāng)、工況惡劣、設(shè)備缺陷等因素的影響，容易導(dǎo)致各種事故的發(fā)生。結(jié)合余熱鍋爐運(yùn)行過程中的實(shí)際情況，綜合考慮引起余熱鍋爐爆炸事故的主要影響因素，編制了余熱鍋爐爆炸事故樹圖，如圖2所示。
通過上述事故樹中所列出的因素，不但可以找髟響上層各事件發(fā)生的原因，而且能夠針對(duì)這些因制定出相應(yīng)的預(yù)防措施，為余熱鍋爐的設(shè)計(jì)、安裝以及運(yùn)營(yíng)維護(hù)提供參考。各事件的稱如表2所示。
利用布爾代數(shù)運(yùn)算得到余熱鍋爐爆炸事故樹有80個(gè)最小割集，反映出余熱鍋爐系統(tǒng)發(fā)生爆炸的危險(xiǎn)性巨大，需要控制的危險(xiǎn)因素很多，其中一階最小割集6個(gè)，三階最小割集74個(gè)。將事故樹對(duì)偶變換為成功樹，利用布爾代數(shù)運(yùn)算求出余熱鍋爐爆炸事故樹的最小徑集為：
{X3 X4 X5 X9 X25 X26 X27 X28 X29 X30};
{ X6 X7 X8 X9 X25 X26 X27 X28 X29 X30};{XI X2
X9 X25 X26 X27 X28 X29 X30};{X3 X4 X5 X10
XIl X12 X13 X14 X15 X16 X25 X26 X27 X28 X29
X30};{X3 tX4 X5 X17 X18 X19 X20 X21 X22 X23
X24 X25 X26 X27 X28 X29 X30};{X6 X7 X8 X10
XII X12 X13 X14 X15 X16 X25 X26 X27 X28 X29
X30};{X6 X7 X8 X17 X18 X19 X20 X21 X22 X23
X24 X25 X26 X27 X28 X29 X30};{X1 X2 X10 X11
X12 X13 X14 X15 X16 X25 X26 X27 X28 X29
X30};{X1 X2 X17 X18 X19 X20 X21 X22 X23 X24
X25 X26 X27 X28 X29 X30}
2.2 三角模糊數(shù)定量計(jì)算頂事件概率
利用近十年鍋爐部件的故障模式及發(fā)生概率統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可直接得到的基本事件發(fā)生概率值P，進(jìn)行三角模糊數(shù)的歸一化并表征為：；=（P，P，尸）。對(duì)于沒有統(tǒng)計(jì)資料的基本事件，或其發(fā)生概率不能或較難通過精確的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)得出的，引入模糊綜合評(píng)價(jià)法( FCE)結(jié)合3u法對(duì)基本底事件發(fā)生的模糊概率進(jìn)行表征。
事故樹危險(xiǎn)性的大小可以用頂事件的發(fā)生概率衡量。頂事件模糊概率求解方法很多，由于余熱鍋爐爆炸事故樹的最小徑集數(shù)量較少，所以采用最小徑集法來求解頂事件的模糊概率更為簡(jiǎn)捷，頂事件模糊概率計(jì)算如下：
式中：Ci為第i個(gè)基本事件的敏感性評(píng)價(jià)指標(biāo)；P(r)為故障樹頂事件的發(fā)生概率；P(I)為第i個(gè)基本事件不發(fā)生時(shí)頂事件的發(fā)生概率。
敏感性指標(biāo)Ci越大，表明通過減小第i個(gè)基本事件發(fā)生的概率，更有利于減小頂事件的失效概率。對(duì)余熱鍋爐爆炸事故樹進(jìn)行敏感性分析，得到各基本事件的敏感性指標(biāo)C．大于0.1的基本事件有：C28=0.2195,C26=0.1720, C9=0.1363,Cl=0. 1331,C6=0.1136,C30 =0.1071,C27=0. 1039。所以，基本事件X28、X26、X9、XI、X6、X30、X27對(duì)頂事件發(fā)生概率影響較大。未按規(guī)定排污，報(bào)警器失靈，安全閥壓力連接管堵塞及除氧器不合格這4個(gè)基本事件是最大的風(fēng)險(xiǎn)源，通過采取適當(dāng)?shù)拇胧瑴p小以上幾個(gè)基本事件的發(fā)生概率，能夠快速減小余熱鍋爐爆炸事故發(fā)生的概率。
3結(jié)論
1)運(yùn)用故障類型和影響分析( FMEA)方法分析在余熱鍋爐裝檢及運(yùn)營(yíng)管理方面影響設(shè)備安全運(yùn)行的危險(xiǎn)因素，分析了鍋爐殼體、壓力表、安全閥、水位計(jì)等鍋爐安全設(shè)備的主要故障類型，提出了針對(duì)性的處理措施。
2)根據(jù)危險(xiǎn)因素的識(shí)別和分析，建立余熱鍋爐爆炸事故樹，對(duì)事故樹進(jìn)行定性分析得到最小割集80個(gè)，表明能導(dǎo)致頂事件發(fā)生的基本事件組合較多；運(yùn)用三角模糊理論，計(jì)算頂事件發(fā)生概率的模糊概率分布為(0. 0109，0.0308，0.0545)，系統(tǒng)的可靠度大約為96. 92%；敏感性分析結(jié)果表明，未按規(guī)定排污、報(bào)警器失靈、安全閥壓力連接管堵塞及除氧器不合格這4個(gè)基本事件對(duì)頂事件發(fā)生概率的影響最大，應(yīng)優(yōu)先采取控制措施。
